根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限對西瓜和甜瓜生長及水分利用效率的影響

侯東穎　蘇東濤　郝科星　張曼　張濤　侯富恩

摘? ? 要：為了探究設施西瓜和甜瓜膜下根系分區(qū)交替灌溉效應，選取西瓜品種‘早佳8424’、甜瓜品種‘青甜脆’為試驗材料，以土壤田間持水量的60%為灌水下限，田間持水量的70%、80%、90%、100% 為灌水上限，研究不同灌水上限處理對設施西瓜和甜瓜生長、產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收、水分利用效率的影響。結(jié)果表明：根系分區(qū)交替灌溉條件下，西瓜、甜瓜最佳灌水上限處理是90%田間持水量，該處理下西瓜、甜瓜中心可溶性固形物含量、維生素C含量、果實中含氮、鉀量均顯著高于其他處理，灌溉水分利用效率較100%田間持水量灌溉上限處理分別顯著提高40.56%、33.35%，且產(chǎn)量下降不明顯，有助于西瓜和甜瓜生長、養(yǎng)分積累和品質(zhì)提升，同時達到節(jié)水的目的。綜上，本研究可作為山西晉中地區(qū)設施節(jié)水提質(zhì)增效的一種灌溉模式推廣應用。

關(guān)鍵詞：西瓜；甜瓜；根系分區(qū)交替灌溉；水分利用效率

中圖分類號：S627；S651；S652? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.09.011

Effects of Different Alternate Partial Root-zone Drip Irrigation Upper Limit on Growth and Water Use Efficiency of Watermelon and Melon

HOU Dongying， SU Dongtao， HAO Kexing， ZHANG Man， ZHANG Tao， HOU Fuen

（College of Agricultural Economics and Management， Shanxi Agricultural University， Taiyuan ， Shanxi 030006，China）

Abstract：? In order to investigate the effect of alternate partial root-zone drip irrigation（APRI） under plastic film of watermelon and melon cultivated in facility， watermelon varieties 'Zaojia 8424' and melon varieties 'Qingtiancui' were selected as experimental materials.? The trial was a completely randomized design with 60% of the soil field capacity set as irrigation lower limit， and 70%， 80%， 90%， 100% of field capacity set as irrigation upper limit， respectively. The effects of different irrigation upper limit treatments on the growth， quality， nutrient absorption and water use efficiency of watermelon and melon were studied. The results showed that under the condition of APDI， the optimal irrigation upper limit for watermelon and melon was 90% field water capacity. Under this treatment， the central soluble solid content， vitamin C content， nitrogen and potassium content in the fruit of watermelon and melon were significantly higher than other treatments.. The irrigation water use efficiency was significantly increased by 40.56% and 33.35% compared to the 100% field water capacity irrigation upper limit treatment， and the yield reduction was not significant， which was conducive to the growth， nutrient accumulation and quality improvement of watermelon and melon， while achieving the goal of water conservation. In conclusion， it can be promoted and applied as an irrigation model for water-saving， quality improvement， and efficiency enhancement of facilities in Jinzhong， Shanxi.

Key words： Watermelon; melon; alternate partial root- zone drip irrigation; water use efficiency

節(jié)水灌概制度是農(nóng)業(yè)節(jié)水的基本措施之一，2020年我國灌溉用水3 116億m3，灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水86%，而蔬菜生產(chǎn)需水量較大。因此，蔬菜節(jié)水是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要組成部分。我國目前設施蔬菜栽培技術(shù)水平不高，缺乏量化指標，在節(jié)能增效和環(huán)境調(diào)控方面還有很長的路要走[1]。水在氣候環(huán)境中極為活躍，在蔬菜的整個生產(chǎn)過程中至關(guān)重要。因此，研究節(jié)水灌概制度，已成為設施蔬菜生產(chǎn)實踐中亟需解決的問題。

根系分區(qū)交替灌溉技術(shù)APRI（Alternate partial root-zone irrigation）作為一新型灌溉技術(shù)可應用于農(nóng)田節(jié)水，繼1997年康紹忠等[2-3]學者提出后在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注。通過在根系的不同區(qū)域或不同部位交替灌溉，利用作物短時間缺水后會產(chǎn)生根信號這一特點，使被脅迫的根系得到干旱鍛煉，從而降低作物的蒸騰作用和總灌溉量，最終實現(xiàn)農(nóng)作物在節(jié)水的情況下產(chǎn)量和品質(zhì)不變。目前根系分區(qū)交替灌溉技術(shù)已應用在棉花、玉米、土豆、蘋果、葡萄、番茄上[4-8]。趙志成等[9]研究表明，根系分區(qū)交替灌溉處理下，黃瓜較傳統(tǒng)滴灌葉片凈光合速率略有下降，蒸騰速率顯著降低，產(chǎn)量下降不明顯，而灌水量減少17%，水分利用效率提高18.6%，節(jié)水效果顯著；陳麗楠等[10]對葡萄的研究發(fā)現(xiàn)，根系分區(qū)交替灌溉與氮肥耦合不僅顯著提高其產(chǎn)量，而且可溶性糖含量、維生素C含量、糖酸比均顯著提高；劉星等[11]研究不同滴灌模式對黃土高原蘋果樹生長、產(chǎn)量、根系分布的影響發(fā)現(xiàn)，根系分區(qū)交替灌溉（中水水平）蘋果樹的新梢粗度與長度，產(chǎn)量和水分利用效率均為最高；趙娣等[12]對膜下滴灌加工番茄研究發(fā)現(xiàn)，根系分區(qū)交替灌溉顯著提高了根系的各項特征參數(shù)值，產(chǎn)量與常規(guī)灌溉相比，增產(chǎn)18.84%，同時提高了根系對N、P、K養(yǎng)分的吸收。這些研究結(jié)果都表明，根系分區(qū)交替灌溉技術(shù)不僅節(jié)水效果明顯，在提質(zhì)增效方面也有很好的潛力。

我國西瓜和甜瓜的生產(chǎn)量與消費量一直位居世界前位。目前，我國已經(jīng)形成五大西瓜和甜瓜優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，包括長江流域、黃淮海、華南、西北、東北西瓜和甜瓜優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，據(jù)國家西瓜和甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系不完全統(tǒng)計，截至2019年，全國西瓜和甜瓜種植面積已逾200萬hm2[13]。西瓜和甜瓜是我國北方早春季節(jié)設施栽培的主要瓜類作物，其生長發(fā)育和產(chǎn)量受土壤濕度影響較大。近年來，隨著設施瓜菜的栽培面積不斷擴大，許多地區(qū)采用微噴灌、滲灌、滴灌等節(jié)約型灌水技術(shù)，但實際應用中缺乏科學的水分管理；而豐水高產(chǎn)型的經(jīng)驗灌溉，由于灌水量無節(jié)制，會使葉片無效蒸騰增加，達不到農(nóng)田灌溉水有效利用的目的，另外也會引起溫室空氣濕度增大，導致病害的發(fā)生[14]。前人涉及大田作物及蔬菜等農(nóng)作物根系分區(qū)交替灌溉效應研究較多，但是對于西瓜和甜瓜的相關(guān)研究較為少見。本研究以山西晉中地區(qū)設施西瓜和甜瓜為研究對象，研究根系分區(qū)交替灌溉模式下不同灌水上限處理對西瓜和甜瓜生長指標、產(chǎn)量指標、品質(zhì)指標、水分利用效率的影響，確定該栽培模式下適宜當?shù)氐墓?jié)水灌溉上下限指標，以期為當?shù)卦O施西瓜和甜瓜水分管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

本試驗于2022年3—8月在山西農(nóng)業(yè)大學東陽試驗示范基地塑料大棚內(nèi)實施。東陽鎮(zhèn)地屬晉中平原，為大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，是山西省蔬菜生產(chǎn)第一鎮(zhèn)。土壤類型為沙壤土，土壤條件見表1。

1.2 試驗材料

西瓜供試材料為‘早佳8424’，甜瓜為厚皮甜瓜品種‘青甜脆’，3月中旬進行西瓜和甜瓜穴盤育苗盤育苗，三葉一心進行定植。

1.3 試驗設計

試驗灌溉模式采用根系分區(qū)交替灌溉，即在距離植株約10 cm的兩側(cè)各鋪設一條滴灌管，每次灌溉時只灌溉一側(cè)，下次灌溉時，則滴灌上次未灌溉側(cè)，交替進行。每根滴灌管前端均安裝開關(guān)閥，通過人工控制其開關(guān)，并配置水表進行灌水量控制。試驗灌水下限均為60%θ f（田間持水量），灌水上限分別為A1（70%θ f）、A2（80%θ f）、A3（90%θ f）、A4（100%θ f）4個處理，每個處理設3次重復，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)長7 m，寬3 m，壟高10～15 cm，西瓜試驗每小區(qū)種植2行，株行距為0.5 m×2 m；甜瓜每小區(qū)種植4行，株行距為0.45 m×1 m；每個小區(qū)用地膜覆蓋，并設有不透水膜隔阻小區(qū)之間水分流動，前后均設置保護行。

根系分區(qū)交替灌溉處理的灌水量則根據(jù)公式計算[15]，每株植株灌溉量（m）=s（計劃濕潤土壤面積/ m）×h（計劃濕潤土壤深度/ m）×p（土壤濕潤比）×r（土壤容重/ g·cm）×θ f（田間持水量）×（q-q（土壤相對含水量上限-下限））×10。其中，西瓜、甜瓜計劃濕潤面積分別為0.5 m、0.225 m，計劃濕潤土壤深度在伸蔓期為0.4 m，開花坐果期為0.7 m。土壤濕潤比為0.8。定植后統(tǒng)一灌溉緩苗水，定植15 d后再進行不同的灌溉處理。土壤相對含水量下降到灌水下限時開始灌溉，至灌水上限時停止，土壤含水量根據(jù)土壤溫度水分測定儀進行測定并每天記錄。

施用750 kg·hm復合肥及75 m·hm腐熟的牛糞作為基肥，果實成熟期施用600 kg·hm鉀肥作為追肥。西瓜采用三蔓整枝，甜瓜采用吊蔓單蔓整枝，各小區(qū)除試驗處理外，其他管理措施均一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 西瓜和甜瓜主蔓長、粗、葉綠素含量 成熟期隨機選取有代表性的5株西瓜和甜瓜，分別用卷尺和游標卡尺測量其主蔓長和主蔓莖粗，葉綠素含量用便攜式葉綠素測定儀（SPAD，日本）測定。

1.4.2 西瓜和甜瓜產(chǎn)量、果實可溶性固形物含量、維C含量及N、P、K含量 待果實成熟采收后每個小區(qū)取成熟度一致的10個果實，用電子天平逐一稱質(zhì)量記錄并計算平均單瓜質(zhì)量，折算理論產(chǎn)量，可溶性固形物用手持數(shù)顯折光儀（ATAGO，日本）測定，維生素C含量采用鉬藍比色法測定。

果實氮磷鉀測定：氮含量的測定采用凱氏定氮儀；磷含量的測定采用鉬銻抗比色法；鉀含量的測定使用火焰分光光度計法[16]。

1.4.3 單位面積耗水量和產(chǎn)量水平灌溉水分利用效率記錄水表讀數(shù)計算各小區(qū)總灌水量和灌溉水分利用效率WUE。

WUE=Y/W

式中，Y表示西瓜和甜瓜公頃產(chǎn)量（kg·hm）；W表示單位面積灌溉定額（m·hm）。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2019和SPSS 24.0軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和作圖，Duncan's新復極差法進行多重比較（顯著性差異P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限對西瓜和甜瓜生長、葉綠素含量的影響

一般而言，植株主蔓長和主蔓莖粗會因不同的灌水方式和水分控制上下限而有所影響。由圖1可知，隨著灌水上限的增加，甜瓜、西瓜主蔓長也隨之增加，西瓜增長趨勢更加明顯，且各處理間差異顯著，均以A4處理主蔓長值最大，相較最低A1處理分別增加8.11%和14.94%；而A1、A2處理西瓜、甜瓜的主蔓長均顯著低于A4處理，說明A1、A2處理由于土壤水分虧缺抑制了西瓜和甜瓜的莖生長。

西瓜、甜瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理主蔓莖粗間均無顯著性差異（圖2），說明主蔓莖粗受土壤含水量的變化不敏感，其中甜瓜以A4處理最高，相較最低A1處理提高14.64%；西瓜以A3處理主蔓粗值最高，相較最低A1處理提高19.13%。

主蔓長、莖粗是植株生長情況的直接體現(xiàn)，而葉綠素在植物光合作用、能量吸收，以及合成有機質(zhì)中不可或缺，葉綠素含量不僅指示著植物的健康狀況，對后期有機物的積累也同等重要[17]。從圖3可以看出，甜瓜葉綠素含量隨著根系分區(qū)交替灌溉灌水上限的增加而逐漸增長，A4處理較A1、A2處理顯著提高12.38%、11.50%；西瓜根系分區(qū)交替灌溉處理下葉綠素含量隨著灌水上限的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中在A3處理下達到顯著水平，較最低A1處理提高19.68%，說明灌溉不足極易影響作物的光合作用，從而導致葉綠素含量的降低。

2.2 根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限對西瓜和甜瓜果實產(chǎn)量、水分利用率的影響

增加灌水量可提高西瓜和甜瓜產(chǎn)量，但會造成水分利用效率和品質(zhì)下降，而減少灌溉量可降低其產(chǎn)量[18]。如圖4、圖5所示，根系分區(qū)交替灌溉處理下西瓜、甜瓜單瓜質(zhì)量和產(chǎn)量隨著灌水上限的增加而上升，其中甜瓜試驗在A3、A4處理達到顯著水平，高于最低A1處理19.67%、21.56%；而西瓜根系分區(qū)交替灌溉A4處理單瓜質(zhì)量和產(chǎn)量最高，達到了5.36 kg和48 217.5 kg·hm，較最低A1處理增幅達31.3%，說明控制灌水上限時，每次的低灌水量導致土壤含水量過低，已影響到植株的正常生長發(fā)育，植株很快因蒸騰作用而缺水、萎蔫等，生長和吸收功能受阻，進一步導致其產(chǎn)量降低。

設施西瓜、甜瓜栽培采用根系分區(qū)交替灌溉的最終目的是獲得較高的產(chǎn)量和提高水分利用效率。由表2可知，根系分區(qū)交替灌溉各個處理的水分利用效率隨著單位面積灌水量的增加而逐漸遞減，其中西瓜根系分區(qū)交替灌溉A1、A2、A3處理之間差異不顯著，相較A4處理分別提高69.66%、55.41%和40.56%；甜瓜根系分區(qū)交替灌溉各處理間差異顯著，A1、A2處理雖然相較A4處理灌水量驟減，水分利用率較高，但是以犧牲產(chǎn)量作為條件；綜合考慮，A3處理可使甜瓜在減產(chǎn)不明顯的情況下水分利用率提高33.35%，達到高產(chǎn)和節(jié)水的目的。

2.3 根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限對西瓜和甜瓜果實品質(zhì)的影響

果實品質(zhì)的高低是影響作物經(jīng)濟效益的一項重要指標。維生素C和可溶性固形物含量是評價作物果實品質(zhì)的關(guān)鍵指標，共同決定著西瓜和甜瓜的營養(yǎng)價值和口感。西瓜、甜瓜根系分區(qū)交替灌溉處理的中心、邊部可溶性固形物含量均隨著灌水量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢（圖6、圖7），其中甜瓜A3處理中心可溶性固形物含量最高，相較最低A1處理增加了17.05%，且差異顯著；西瓜試驗也以A3處理中心、邊部可溶性固形物含量最高，分別達到了12.80%和9.77%，相較最低A1處理顯著增加了20.75%和21.07%，說明過高或過低的水分均不易于糖分的積累。

從果實維生素C含量看（圖8），甜瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理之間差異顯著，A3處理處理的值最高，分別比A1、A2處理顯著提高30.81%、21.76%；西瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理也是A3處理值最大，但與A2、A4處理差異不顯著，顯著高于最低A1處理32.36 %。因此，過高和過低的灌水量均不利于營養(yǎng)成分的積累，會導致維生素C含量下降。

2.4 根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限對西瓜、甜瓜果實養(yǎng)分吸收的影響

氮素在植物的生長發(fā)育過程中極為重要，氮素決定著植株干物質(zhì)的形成和養(yǎng)分積累。由圖9可知，甜瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理下，果實中氮素的吸收量隨著灌水量的增加先升后降，其中A3處理含氮量最高，顯著高于最低A1處理30.9%；而西瓜根系分區(qū)交替灌溉A3處理含氮量最高，分別顯著高于A1、A4處理33.98%、33.40%。

磷素在蔬菜的生長發(fā)育中也發(fā)揮著重要作用，其有助于體內(nèi)碳水化合物的合成、運輸，不僅影響氮的代謝，還可以提高西瓜和甜瓜對外界環(huán)境的適應性[19]。圖10顯示，甜瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理間無顯著差異，其中A2＞A3＞A4＞A1處理；而西瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理下果實中磷素的吸收量隨著灌水量的增加先增長后大幅降落，其中A1處理含磷量最低，較最高A3處理減少41.98%，且差異顯著。

鉀素可以促進西瓜體內(nèi)糖的代謝，決定西瓜的品質(zhì)和口感。果實含鉀量方面（圖11），甜瓜、西瓜根系分區(qū)交替灌溉A2、A3、A4處理差異不顯著，均以A3處理最高，顯著高于最低A1處理29.02%、36.07%，這與果實中心可溶物固形物含量的變化趨勢基本一致，說明水分虧缺時必然影響果實中養(yǎng)分運轉(zhuǎn)和分配。

3 討論與結(jié)論

西瓜和甜瓜對水分的需求量較大，不同灌溉方式和灌水上下限會對其果實品質(zhì)、產(chǎn)量，及水分利用效率產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的充分灌溉雖然可以提高產(chǎn)量，但是容易導致水資源的浪費。當前，水資源緊缺，根據(jù)《國家節(jié)水行動方案》制定目標，我國2025年要使農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.58以上[20]，實施灌溉不僅是為了保證作物生長和實現(xiàn)高產(chǎn)，還需兼顧品質(zhì)和水分利用效率等，而根系分區(qū)交替灌溉技術(shù)正是實現(xiàn)這一目標的重要措施。

本研究結(jié)果表明，甜瓜、西瓜根系分區(qū)交替灌溉A3處理相較A4處理在灌水量分別降低26.17%、33.01%的情況下，產(chǎn)量僅下降了1.56%、5.84%，水分利用率相應提高了40.56%、33.35%；而A1、A2處理雖然水分利用效率較高，但水分長期虧缺使西瓜和甜瓜生長和吸收功能受阻，不利于西瓜和甜瓜產(chǎn)量的形成和品質(zhì)的提高。同時，90%田間持水量灌水上限處理下，甜瓜、西瓜中心可溶性固形物含量達到18.5%、12.8%、維生素C含量達到0.207mg·g、0.089 mg·g、果實中含氮、鉀量均為最高，地面上保持適宜的生長量和光合作用，植株生長健壯，該灌溉策略植株綜合性狀最好，保證較高產(chǎn)量的同時，果實品質(zhì)有所改善，有效提升灌溉水分利用率，達到“兩高一優(yōu)”且節(jié)約用水的目的。這與前人的研究結(jié)果相似，水分利用效率提高的原因可能是根系分區(qū)交替灌溉適宜的灌水上限在干濕交替的過程中植物的光合速率并未受阻，同時受到干旱脅迫，氣孔關(guān)閉，減少了葉片水分蒸發(fā)[21]。因此，甜瓜、西瓜根系分區(qū)交替灌溉條件下，灌水上下限分別為90%、60%田間持水量為當?shù)刈顑?yōu)灌水策略。

西瓜和甜瓜生長需要大量水分，并且在不同的生長階段對水分的需求也有所差異。而根系分區(qū)交替灌溉的水分處理具有后效性和補償生長的作用。因此，應根據(jù)西瓜和甜瓜不同生育期的需水特性及規(guī)律性分階段進行田間水分管理[22-23]。本研究旨在探討設施西瓜和甜瓜根系分區(qū)交替灌溉不同灌水上限處理的影響，重點關(guān)注成熟期的灌溉指標，而未涉及伸蔓期和開花結(jié)果期的指標。因此，下一步應研究各個時期的各項指標是否有差異，以期獲得更好的結(jié)論。

綜上所述，根系分區(qū)交替灌溉條件下，西瓜、甜瓜最佳灌水上下限處理分別是90%、60%田間持水量，該處理下西瓜、甜瓜中心可溶性固形物含量、維生素C含量、果實中氮、鉀含量最高，設施西瓜和甜瓜產(chǎn)量沒有顯著下降的前提下，改善了品質(zhì)和顯著提高了水分利用效率，可作為山西晉中地區(qū)設施節(jié)水提質(zhì)增效的一種灌溉模式推廣應用。

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